Задание по работе. 1 Замерить твердость образцов заданной марки стали

1 Замерить твердость образцов заданной марки стали.

2 Произвести нагрев до температур, приведенных в таблице 7.1 и дать выдержку, продолжительность которой определяется из расчета 1–2 мин на

1 мм диаметра образца.

3 После выдержки в печи охладить (закалить) образцы в воде.

4 Замерить твердость образцов после закалки.

5 Результаты эксперимента занести в таблицу 7.1 и построить кривую изменения твер­дости в зависимости от температуры закалки (рисунок 7.2).

6 По полученным данным определить критические точки А₁ и А₃.

Таблица 7.1 – Результаты измерения твердости

Номер образца	Температура нагрева под закалку, оС	Твердость НRC	Микроструктура

Рисунок 7.2 – Изменение твердости образца в зависимости от температуры закалки.

Лабораторная работа № 8. Cтруктура и свойства углеродистой стали в равновесном состоянии

Цель работы: изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов; анализ превращений, происходящих в сплавах при охлаждениях и нагревах; определение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры; изучение структуры углеродистых сталей в равновесном состоянии; установление зависимости между структурой и свойствами стали.

Под равновесным понимается такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Это имеет место только при очень малых скоростях охлаждения (нагрева). Равновесное состояние соответст­вует минимальному значению свободной энергии и не подвергается са­мопроизвольному изменению во времени. Поэтому оно называется ста­бильным.

Превращения, протекающие в сталях в равновесном состоянии, описываются диаграммой « железо-цементит », представленной на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Диаграмма « железо-цементит »

В железоуглеродистых сплавах могут присутствовать следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеющем объем­ноцентрированную кубическую решетку. На диаграмме « железо-цементит » существуют две области феррита - высокотемпературная область АNН и низкотемпературная область GPQ. Растворимость углерода в феррите мала. Максимальная растворимость в высокотемпературной области составляет 0,10 % – точка Н, в низкотемпературной области 0,02 % – точка Р. Феррит мягок и пластичен (s_В = 200-300 МПа, d = 20-50 %, y = 60-85 %, 80-100 НВ)

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в g-железе, имеющем гра­нецентрированную кубическую решетку. На диаграмме « железо-цементит » аустенит занимает область NJESG. Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14 % – точка Е. По механическим свойствам аустенит близок к ферриту. Аустенит пластичен, но более тверд, чем феррит (160– 200 НВ).

Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа, химическая формула которого Fe₃С. Содержание углерода в цементите равна 6,67 %. Цементит имеет высокую твердость (» 800 HV) и хрупкость. Он имеет сложную ромбическую решетку. Она состоит из ряда октаэдров, оси которых расположены под некоторыми углами друг к другу.

Кристаллизация сплавов, содержание углерода в которых меньше 0,5 % (точка В), начинается с выделения из жидкого углерода кристал­лов феррита. При содержании углерода больше 0,5 % стали кристалли­зуются с выделением аустенита.

В сплавах, содержащих углерод не более 0,1% (точка Н), весь жидкий раствор переходит в кристаллы феррита, который при дальней­шем охлаждении в интервале температур, ограниченном линиями NН и NJ, перекристаллизовывается в аустенит.

Сплавы, содержащие углерод от 0,1 % (точка Н) до 0,5 % (точка В), претерпевают при температуре 1499 ^oC (линия НJB) перитектичес­кое превращение, заключающееся в том, что жидкий раствор, имеющий при этой температуре концентрацию, соответствующую точке В (0,5 % С), взаимодействуя с выделившимися из него кристаллами феррита кон­центрации точки Н (0,1 % С), образует новую фазу – кристаллы аус­тенита концентрации точки J (0,16 % С).

Ф_Н + Ж_В ® А_J.

При дальнейшем снижении температуры в сплавах с содержанием углерода от 0,1 до 0,16 % феррит, оставшийся после практического превращения, перекристаллизовывается в аустенит. В сталях с содержанием углерода больше 0,16 % оставшаяся жидкость затвердевает с об­разованием аустенита.

Ниже линий NJ и JE сплавы имеют однородную аустенитную струк­туру.

Все сплавы с содержанием углерода более 0,02 % (точка Р) при температуре 727 ^oС (линия PSK) претерпевают эвтектоидное превраще­ние. При эвтектоидном превращении аустенит, имеющий при этой тем­пературе концентрацию углерода, соответствующую точке S (0,8 % С), распадается с образованием эвтектоидной смеси – феррита состава точки Р (0,02 % С) и цементита:

A_S ® Ф_Р + Ц.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся в ре­зультате эвтектоидного распада аустенита называется перлитом.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,8 % (точка S) эвтек­тоидному превращению предшествует выделение из аустенита феррита, которое протекает в интервале температур, ограниченных линиями GS и РS. При этом в оставшемся аустените концентрация углерода изме­няется по линии GS. В сплавах с содержанием углерода более 0,8 % (точка S) эвтектоидному превращению предшествует выделение из аус­тенита цементита. Выделение цементита протекает в интервале темпе­ратур, ограниченных линиями ES и SK. В этом случае концентрация углерода в оставшемся аустените изменяется по линии ES. Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на три группы: техническое железо, стали, чугуны.

Техническое железо – это сплавы с содержанием углерода менее

0,02 % (точка Р). Как следует из диаграммы « железо-цементит », тех­ническое железо имеет структуру феррита или феррита и цементита третичного, который в виде отдельных мелких включений располагается по границам зерен феррита (рисунок 8.2, а). Третичный цементит выделяется из феррита в результате снижения растворимости углерода при уменьшении температуры от эв­тектоидной (727 ^оС) до комнатной. Предельная растворимость углерода в феррите ограничивается линией GPQ. По свойствам техническое железо подобно ферриту.

Стали – это сплавы с содержанием углерода от 0,02 % (точка Р) до 2,14 % (точка Е). В структуре стали по мере увеличения содержания углерода возрастает доля цементита и соответственно уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости и прочности стали и снижению ее пластичности (рисунок 8.3), изменению физических и технологических свойств. К последним относятся свариваемость, обрабатываемость, стойкость к изнашиванию, восприимчивость к закалке и др.

В зависимости от содержания углерода стали по своей структуре делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтек­тоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 % углерода (точка Р) до

0,8 % углерода (точка S). Она имеет структуру феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рисунок 8.2, б, в). Количественное соотношение между перлитом и ферритом зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода прямо пропорционально увеличивается содержание перлита. При концентрации уг­лерода в стали 0,8 % количество перлита равно 100 %. Зная площадь, занимаемую перлитом, с достаточной для практики точностью можно определить содержание углерода в углеродистой стали.

б

а

г

в

д

Рисунок 8.2 – Микроструктура технического железа (а), доэвтектоидных сталей (б, в) с содержанием углерода 0,20 % (б) и 0,45 % (в), эвтектоидной (г) и заэвтектоидной (д) сталей

С = ,

где А - площадь, занимаемая перлитом.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода (точка S) и состоит из перлита (см. рисунок 8.2, г).

Заэвтектоидная сталь содержит от 0,8 % углерода (точка S) до 2,14 % углерода (точка Е). Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и цементита (см. рисунок 8.2, д).

Таким образом, структура, а, следовательно, и свойства стали определяются количеством углерода в ней. Доэвтектоидные стали, содержащие до 0,7 %

Рисунок 8.3 – Зависимость механических свойств стали от содержания в ней углерода

углерода, являются конструкционными, т. е. применяются для изготовления различных де­талей машиностроения. В значительной мере свойства углеродистых сталей, а, следовательно, и область их применения зависят от содержания в них вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше их в стали, тем выше ее качество.

Конструкционные углеродистые стали делятся на два класса – сталь углеродистая общего назначения (обыкновенного качества) (ГОСТ 380-71), сталь углеро­дистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-74). Стали обыкновенного качества содержат до 0,07 % фосфора, 0,06 % серы, 0,06-0,49 % углерода. Они подразделяются на три группы – А, Б, В. В сталях группы А – гарантируются механические свойства, группы Б – химический состав; в сталях группы В гарантируются механические свойства и химический состав.

Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 0, 1, 2,...6, например, Ст0, Ст1. В сталях группы Б перед буквами Ст ставится буква Б, например, БСт1, БСт2. В сталях группы В перед буквами Ст ставится буква В, например, ВСт2, ВСт3. В конце марки стали общего назначения ставятся буквы « кп », « пс », « сп ». Буквы « кп » показывают, что сталь кипящая, « пс » – полуспокойная, « сп » – спокойная.

Стали обыкновенного качества являются сталями общего назначения и используются для изготовления проката различного профиля и листовой стали.

Качественная конструкционная сталь по сравнению со сталью об­щего назначения содержит меньше серы (не более 0,04 %) и фосфора (0,035 %) и отличается более высокими механическими свойствами. Она маркируется цифрами, например, 08, 10, 15, 20, 25, … 85, показывающими содержание углерода в со­тых долях процента.

Стали, содержащие 0,7 % углерода и более, используются в ка­честве инструментальных. Причем высокоуглеродистые стали с содер­жанием углерода более 1,0 %, характеризующиеся повышенной твер­достью и износостойкостью, применяются для изготовления режущего инструмента. Стали с содержанием углерода от 0,7 до 1,0 % наряду с высокой твердостью и износостойкостью, применяются для изготовления инструмента, подвергающегося ударам.

Сталь нелегированная инструментальная (ГОСТ 1435-74) делится на качественную (содержание серы <0,03 %, фосфора <0,035 %) и высококачественную (содержание серы <0,02 %, а фосфора <0,03 %). Качественная сталь маркируется следующим образом У7, У8, У9,..., У13. Наличие буквы А в конце марки указывает на то, что сталь является высококачествен­ной, например, У7А, У8А. В марке буква « У » указывает на то, что сталь является инструментальной; цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента.